Электролитический способ регенерации травильных растворов на основе хлоридов железа

 

Изобретение относится к технологии травления углеродистых сталей и сплавов и может быть использовано для создания безотходной технологии травления с одновременной непрерывной регенерацией отработанных растворов. Регенерируемый травильный раствор подают в катодное и анодное отделения электролизера, разделенные анионообменной мембраной. При этом перед подачей в электролизер раствор разделяют на два потока при объемном соотношении потоков, подаваемых в катодное и анодное отделения, соответственно (1-3):20. В анодном отделении ионы двухвалентного железа окисляются до ионов трехвалентного и остаются в анолите, а в катодном отделении ионы трехвалентного железа восстанавливаются до ионов двухвалентного и до металлического железа, которое осаждается на катоде. После электролиза анолит и католит смешивают и подают в ванну травления как исходный травильный раствор. В результате без образования отходов производства сохраняется баланс по ионам железа. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технологии травления углеродистых сталей и сплавов в водных растворах хлоридов железа и может быть использовано для создания безотходной технологии травления с одновременной непрерывной регенерацией отработанных травильных растворов.

Изобретение затрагивает травление в солях железа как наиболее прогрессивный способ, т.к. в сравнении с травлением в минеральных кислотах (серной, соляной и др.) оно имеет такие преимущества, как возможность достичь в процессе травления отсутствия перетрава металла и водородной хрупкости, а также низкой температуры обработки, отсутствия газовыделения и возможности электрохимической регенерации, которую можно производить одновременно с травлением непрерывно и безотходно.

Из уровня техники известен "Электролитический способ регенерирования раствора хлорида железа или сульфата трехвалентного железа, используемого, в частности, для струйного травления стали" (патент WO 9524518, Б. ИСМ 8, 1996 г., с.30), который является наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению.

В известном способе отработанный травильный раствор из ванны травления непрерывно подают в анодное отделение электролизера, отделенное от катодного отделения катионообменной мембраной.

Катодное отделение электролизера заполняют электропроводным раствором кислоты для создания кислой среды, необходимой для выделения металла на катоде. При этом окисление хлористого железа в хлорное происходит только в анодном отделении. Полученный анолит возвращают в ванну травления.

Образовавшийся в результате католит представляет собой отработанный раствор электропроводной кислоты, который не может быть использован в дальнейшем для травления, т. к. является таким отходом производства, который должен быть удален из катодного отделения, подвергнут очистке и последующей утилизации. Катодное отделение при этом должно постоянно пополняться свежим электропроводным раствором.

Таким образом, наряду с получением полезного отхода производства - порошкообразного железа известный способ не является безотходным, т.к. при его реализации образуются продукты, требующие удаления.

Задача настоящего изобретения заключается в создании безотходного способа регенерации травильных растворов на основе хлоридов железа.

Для решения поставленной задачи в электролитическом способе регенерации травильных растворов на основе хлоридов железа, включающем подачу отработанного травильного раствора в электролизер, имеющий анодное и катодное отделения, разделенные ионообменной мембраной, окисление хлористого железа (FeCl₂) в хлорное (FeCl₃) в анодном отделении и восстановление железа - в катодном, возвращение регенерированного раствора в ванну травления, перед подачей в электролизер отработанный травильный раствор разделяют на два потока и в объемном соотношении (1-3):20 подают соответственно в катодное и анодное отделения электролизера, разделенные анионообменной мембраной, а полученные католит и анолит смешивают и возвращают в ванну травления.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

В анодном отделении электролизера ионы двухвалентного железа непрерывно окисляются до ионов трехвалентного железа, но благодаря анионообменной мембране не проходят в катодное отделение, а остаются в анолите как необходимые составляющие будущего регенерированного раствора.

В катодном отделении, также содержащем травильный раствор, ионы трех- и двухвалентного железа восстанавливаются до железа металлического на катоде, которое выделяется в форме порошка или осадка. Заявляемое соотношение объемов потоков, подаваемых в катодное и анодное отделения электролизера, обеспечивает постоянство количественного состава хлоридов железа в регенерированном растворе.

Полученный в результате электролиза анолит, соединенный с католитом, по составу и свойствам представляет собой исходный травильный раствор постоянного состава, обеспечивающий оптимальную скорость травления. Его и направляют в ванну травления для дальнейшего использования.

Новый технический результат заключается в том, что при реализации заявляемого способа благодаря анионообменной мембране ионы железа не проходят через мембрану из одного отделения в другое (как в прототипе), а остаются как в анолите, так и в католите как необходимые компоненты будущего регенерированного раствора.

Подача же отработанного травильного раствора в катодное и анодное отделения электролизера в заявленном объемном соотношении обеспечивает постоянство количественного состава этих составляющих и позволяет после смешивания анолита и католита получить исходный травильный раствор.

В результате в процессе электролиза не образуется продуктов, требующих дальнейшей переработки. Полученное порошковое железо представляет собой полезный продукт, который можно использовать в порошковой металлургии, лакокрасочной промышленности или других отраслях.

Заявляемый способ иллюстрируется примером конкретного выполнения, в котором взят исходный травильный раствор, содержащий 250 г/дм³ - хлорного железа (FeCl₃) и 25 г/дм³ - хлористого железа (FeCl₂). Пример дан для отработанного травильного раствора со степенью выработки 20,50,80% по уменьшению массовой доли трехвалентного железа, определяемой конкретными технологическими параметрами.

Так, при условии непрерывного травления (рулонная сталь, проволока и т. п.) степень выработки травильного раствора не рекомендуется увеличивать более 20%-го снижения массовой доли Fe относительно массовой доли в исходном растворе. Это обусловлено требованием поддержания стабильной скорости снятия окалины.

В случаях травления в цикличном режиме, где снижение скорости несущественно влияет на технологический процесс, степень выработки выбирается в зависимости от конкретных условий и может быть очень высокой -80%.

Отработанный травильный раствор с приведенными выше характеристиками разделяют в узле 1 трубопровода 2 подачи отработанного раствор на два потока и объемном соотношении К:А=1:20, 1:10, 3:20 подают соответственно в катодное отделение 3 и анодное отделение 4 электролизера 5, содержащего анионообменную мембрану 6.

Электролиз ведут при плотности тока, которая достаточна для окисления хлористого железа в хлорное в анодном отделении и для восстановления железа - в катодном. После элекролиза полученные анолит и католит смешивают в узле 7 трубопровода 8 регенерированного раствора и возвращают в травильную ванну. (см. чертеж.) В таблице приведены массовые доли ионов железа для данного исходного и регенерированного травильных растворов.

Данные таблицы иллюстрируют, что регенерированный раствор по массовой доле ионов железа соответствует исходному раствору.

Формула изобретения

Электролитический способ регенерации травильных растворов на основе хлоридов железа, включающий подачу отработанного травильного раствора в электролизер, имеющий анодное и катодное отделения, разделенные ионообменной мембраной, окисление хлористого железа (FeCl₂) в хлорное (FeCl₃) в анодном отделении и восстановление железа в катодном, возвращение регенерированного раствора в ванну травления, отличающийся тем, что перед подачей в электролизер отработанный травильный раствор разделяют на два потока и в объемном соотношении (1-3): 20 подают соответственно в катодное и анодное отделения электролизера, разделенные анионообменной мембраной, а полученные католит и анолит смешивают и возвращают в ванну травления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2